8 Por Ciento Hidrodesalquilación Del Tolueno

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Hidrodesalquilación del Tolueno HIDRODESALQUILACIÓN TÉRMICA DEL TOLUENO (C7H8) PARA OBTENCIÓN DE BENCENO (C 6H6). 1. Descripción del proceso.

El proceso consiste en la hidrodesalquilación térmica de tolueno para la producción de benceno a partir de tolueno puro (C 7H8), que entra en planta a 18 ºC y 101,6 kPa, e hidrógeno (H 2) al 95%, con un 5% de metano (CH4), que se proporciona a 37 ºC y 3749 kPa. El tolueno fresco a temperatura y presión atmosférica (corriente 1) se mezcla con el procedente de la columna de tolueno (corriente 31). Juntos se vaporizan con la ayuda de un intercambiador de calor (equipo 3) y se comprimen mediante un sistema de compresión (equipos 4, 5 y 6) hasta 3500 kPa. Entonces se mezclan con una corriente que procede de la unión del gas de hidrógeno fresco, que se descomprime mediante una válvula hasta 3530 kPa, y la recirculación, previamente comprimida (equipo 18) también a 3530 kPa; de este modo se consigue alcanzar la proporción 5:1 entre el hidrógeno y el tolueno para evitar coquización dentro del reactor. La mezcla hidrógeno-tolueno se calienta aprovechando el calor de los productos del reactor en una primera etapa (equipo 10), y posteriormente en un horno (equipo 11). En estas condiciones, 900 K y 3500 kPa, se introduce en el reactor (equipo 12-13). Se trata de un reactor tubular no catalítico adiabático, que opera con una conversión por paso de tolueno del 50 % y una selectividad de tolueno a benceno del 99%; ésta se encuentra limitada por la conversión por paso elegida, produciéndose difenilo (C12H10) e hidrógeno en una reacción secundaria.

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Reacción principal: C7H8 + H2  C6H6 + CH4 Reacción secundaria: 2C6H6  C12H10 + H2 La corriente de salida del reactor (corriente 12) actúa como fluido calefactor en el intercambiador de calor (equipo 10) empleado para aumentar la temperatura de la mezcla reactiva de hidrógeno-tolueno. Después de ese intercambio térmico la corriente de productos es refrigerada mediante un intercambiador de calor (equipo 14) hasta una temperatura de 311 K (corriente 17), para posteriormente atravesar una válvula que le permite alcanzar una temperatura de 310,75 K y una presión de 3200 kPa. A continuación, esta corriente es introducida en un separador Flash (equipo 16) donde el 86% en moles sale como vapor y el 14% restante constituye la alimentación a la columna estabilizadora (equipo 19). De la fase vapor obtenida en el separador, el 70% constituirá la recirculación del sistema por razones económicas, mientras que el resto constituye la purga. Por otro lado, la mezcla líquida obtenida en el Flash pasa por el sistema de separación en serie, constituido por tres columnas de rectificación, siendo la primera de ellas la estabilizadora (equipo 19), mediante la cual se separa por cabezas la mayor parte del hidrógeno y del metano que acompaña a la corriente líquida. La siguiente columna, llamada columna de benceno (equipo 20), emplea como alimentación la corriente de colas procedente de la estabilizadora (corriente 27), formada principalmente por tolueno, benceno y difenilo. En esta columna se obtiene por cabezas un destilado constituido por un 99,97% molar de benceno y el resto de tolueno (corriente 28). La última columna, denominada columna de tolueno (equipo 21), emplea como alimentación el producto de colas de la anterior columna

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(corriente 29). Obtiene por cabezas una corriente de destilado con aproximadamente un 100% de tolueno junto con trazas de benceno y difenilo (corriente 30). Dicha corriente es mezclada con la alimentación fresca de tolueno; aunque lleva difenilo, no es necesaria la separación de éste porque el difenilo arrastrado ayuda a que la reacción de formación del mismo en el reactor se produzca en menor medida. Por otro lado, en esta columna de tolueno se obtiene por colas una corriente de residuo con, aproximadamente, 100% molar de difenilo.

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2. Diagrama de flujo de la planta de hidrodesalquilación de tolueno.

Diagrama de flujo de la planta de hidrodesalquilación de tolueno.

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3. Lista de Componentes

4. Sistema de Unidades

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El dibujo de dicho diagrama se efectúa a partir del panel de control de equipos del programa:

5. Opciones Termodinamicad

Valores K: SRK Entalpía: SRK

6. Especificaciones de los equipos

Horno. Para la integración de este equipo únicamente es preciso introducir la temperatura de salida de los reactivos que llegan al horno, proporcionando automáticamente CHEMCAD el calor absorbido y la cantidad de combustible necesaria.

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Horno (equipo 11).

Sistema de compresión del tolueno. Para simular los tres compresores en el cuadro de diálogo de CHEMCAD se debe seleccionar la opción de especificar la presión de salida y la eficiencia como modo de operación. En la planta se emplean compresores politrópicos, siendo éste el modelo ha elegir. Una vez introducidos los valores de presión y eficiencia, CHEMCAD calculará el cociente CP /CV y la potencia teórica.

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Compresor (equipo 4)

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Compresor (equipo 5).

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Compresor (equipo 6).

Compresor de la recirculación. En este compresor se opera de manera similar a como se operó con los compresores anteriores, siendo también un compresor politrópico.

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Compresor (equipo 18).

Intercambiador de calor para el tolueno (equipo 3). Únicamente es preciso introducir la temperatura de salida del tolueno junto con la caída de presión a través del intercambiador, calculando CHEMCAD el calor aportado.

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Intercambiador de calor (equipo 3).

Intercambiador de calor de alimentación al reactor. Este tipo de intercambiador difiere del anterior, siendo necesario introducir en éste las pérdidas de presión de las corrientes 11 y 15 y la temperatura de la corriente 9.

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Intercambiador de calor (equipo 10).

Reactor. Debido a las limitaciones del CHEMCAD y dada la existencia de dos reacciones implicadas en el proceso, para que la simulación dé resultados coherentes ha sido preciso dividir la etapa de reacción en dos partes, es decir, ha sido necesario considerar que las reacciones se llevan a cabo en reactores separados. Obviamente, esto no ocurre en la realidad donde se utiliza un único reactor adiabático como se indicó en la descripción del proceso. Teniendo esto en cuenta, se han considerado dos reactores estequiométricos, operando uno en régimen adiabático y otro en régimen isotérmico, situados en serie. En el primero de ellos se lleva a

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cabo la reacción de obtención de benceno a partir de tolueno con la conversión dada y en el segundo de ellos se simula la reacción en equilibrio de benceno a difenilo, tomando como datos de partida los obtenidos en el reactor anterior, de modo que la selectividad se aplica a la cantidad total de benceno producida en el primer reactor. Puesto que el programa trabaja a partir de datos de entrada en cada reactor, así los dos reactores en serie producen el mismo resultado que se da en la realidad. En ambos reactores es preciso introducir el mismo tipo de datos; esto es: el componente al cual se refiere la conversión, dicha conversión y los coeficientes estequiométricos de la reacción en base molar, presentado el coeficiente de los reactivos signo negativo y el de los productos signo positivo. Además, en el reactor isotérmico es preciso introducir la temperatura de trabajo mientras que en el reactor adiabático no resulta necesario.

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Reactor adiabático de obtención de benceno (equipo 12).

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Reactor isotérmico de equilibrio benceno-difenilo (equipo 13).

Refrigeración tras reactores. Este intercambiador de calor es similar al empleado para el calentamiento del tolueno (equipo 3), por lo que es necesario introducir como datos la caída de presión y la temperatura de la corriente de salida (corriente 17).

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Intercambiador de calor para refrigeración (equipo 14).

Separador flash. En este equipo es preciso introducir el modo de separador que se va a emplear. Para este caso se ha empleado un separador flash en el cual es necesario introducir la temperatura y presión de trabajo, calculando CHEMCAD de manera instantánea el flujo de calor puesto en  juego para llevar a cabo la separación.

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Separador flash (equipo 16).

Columna estabilizadora. Para llevar a cabo la integración en CHEMCAD de una columna de destilación de platos es preciso introducir, en primer lugar, una serie de parámetros generales. Seleccionando un condensador parcial se ha de introducir la presión en cabezas, la caída de presión a lo largo de la columna, el número de platos y el plato en el cual se introduce la alimentación.

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Parámetros generales de la columna estabilizadora (equipo 7).

En segundo lugar se deben realizar una serie de especificaciones acerca de balances de materia y energía en la columna. Es necesario seleccionar el modo de operación en el condensador, empleando la relación de reflujo y asignando un valor. También se debe asignar el modo de operación del calderín, asignando un valor al flujo molar en el calderín.

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Parámetros de materia y energía de la columna estabilizadora (equipo 7).

En el menú “Convergence” se aportan datos iniciales y al ejecutar

el programa se comprueban las corrientes, fundamentalmente la relación de reflujo.

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Parámetros de convergencia en la columna estabilizadora (equipo 19).

Columna de benceno. En esta columna las especificaciones sobre los diferentes menús son las mismas que en el caso de la columna estabilizadora, a excepción de que esta columna opera con un condensador total.

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Parámetros generales de la columna de benceno (equipo 20).

Parámetros de materia y energía de la columna de benceno (equipo 20).

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Parámetros de convergencia en la columna de benceno (equipo 20).

Columna de tolueno. En esta columna las especificaciones sobre los diferentes menús son las mismas que en el caso de la columna estabilizadora, a excepción de que esta columna opera con un condensador total.

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Parámetros generales de la columna de tolueno (equipo 21).

Parámetros de materia y energía de la columna de tolueno (equipo 21).

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Parámetros de convergencia en la columna de tolueno (equipo 21).

Bomba en la alimentación fresca de tolueno. Para la simulación de la bomba se introduce la presión de salida del tolueno, así como la eficiencia con la cual trabaja la bomba.

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Bomba para el tolueno de la alimentación fresca (equipo 1).

Válvulas. En la instalación se emplean cuatro válvulas que corresponden a los equipos 8, 15, 22 y 24, siendo preciso fijar la caída de presión a través de ellas.

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Válvula (equipo 8).

Válvula (equipo 15).

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Válvula (equipo 22).

Válvula (equipo 24).

Intercambiador de calor posterior a columna estabilizadora. Este intercambiador de calor es similar al empleado para el calentamiento del tolueno (equipo 3), por lo que hay que indicar la caída de presión y la temperatura de la corriente de salida (corriente 27).

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Intercambiador de calor posterior a la columna estabilizadora (equipo 23).

Separador de corrientes para la recirculación. Se imponen las fracciones de las corrientes que se quieren dividir.